基于三角形缝隙谐振器的无芯RFID标签设计*

贾 胤， 邹传云， 胥 磊

0 引 言

传统的有芯片标签包含硅芯片和天线，因而价格昂贵，使其难与低成本的条形码技术竞争。为了降低标签成本，研究提出了无芯片标签，其因自身的众多优势，如阅读距离远、非可视(non-line-of-sight)阅读、自动识别和追踪，有潜力代替如今广泛使用的条形码[1]。无芯片标签按照编码方式主要分为基于时域、频域、相位和图像编码的无芯片标签。基于时域可打印在纸基上的无芯片射频识别(radio frequency identification，RFID)标签[2～5]，每比特的编码需添加一个分流电容器到微带线，标签的体积随编码容量线性提升;基于时域编码的声表面波(surface acoustic wave,SAW)无芯片RFID标签[6]，可以达到所需的数据容量,但需要使用价格昂贵的压电基片，并要采用亚微米光刻工艺制造，使标签成本接近于传统标签；基于相位编码的无芯片RFID标签由于目前相位分辨率的限制，不能达到大容量编码的要求[7]；基于图像编码的无芯片标签对多径效应不敏感[8]，且可使用印刷技术制作，但数据容量仍然不高；基于频域编码的无芯片RFID标签[9]使用简单的辐射结构将数据转化为唯一的电磁签名(electromagnetic signature,EMS)，较时域标签有更高的数据密度，且可使用打印技术，容易实现小型化，在物联网技术的实施中发挥着重要作用。然而，由于加入了额外的谐振器,标签的尺寸同样随编码容量的提升线性增加。国内外研究者为提升无芯片标签的编码容量，同时实现小型化，做了许多努力[10，11]。

本文提出了一种基于目标自然谐振的无芯片标签，,利用雷达散射截面进行信息的传输。标签由多个等边三角形缝隙环谐振器嵌套组成，其面积并不随编码容量提升。单面紧凑、可完全印制的标签在24 mm×22 mm的尺寸内，可实现12 bit的编码容量。通过仿真验证了标签结构的可行性，且标签数据的读取与入射波的极化方向无关。这种结构的标签可以紧凑地放置在一起，增大雷达散射截面积，提升阅读距离，适合一些编码容量高，阅读距离远的应用场合。

1 基本原理

1.1 缝隙谐振器的基本原理

一个加载了多个缝隙谐振腔的金属贴片会在特定的频率点产生有明显波峰和波谷的雷达散射截面积(radar cross section,RCS)，利用这些波峰和波谷可编码信息[12]。本文提出的等边三角形缝隙谐振器结构和幅频特性如图1所示，图中缝隙边长为19.2 mm，缝隙宽度为0.2 mm。相较于其他谐振结构,设计的三角形缝隙谐振器主要有2个优点：1)谐振单元在频谱上的二次谐波可忽略不计，且在后向散射信号中不存在三次谐波。从图1(b)可以看出，缝隙谐振器的二次谐波很小，不影响编码，而在超宽带(ultra wide band,UWB)(3.1～10.6 GHz)上不存在三次谐波，因此整个超宽带均可用于编码。2)由于其结构的特殊性，任何极化方向的入射波均能得到良好的响应，确保了本文设计的鲁棒性。

图1 单个谐振器的结构及RCS频谱曲线

标签的ID信息存在于标签的图形结构中，不同长度的缝隙对应不同的谐振频率，依据缝隙的存在或缺失形成的频谱签名可以有效地编码信息。图2为不同控制缝隙长度a对应的RCS频谱曲线。可以看出，不同长度的谐振器具有不同的谐振频率，通过组合能形成有效的编码。且随缝隙长度增加，对应的谐振点频率减小。

1.2 无芯片RFID标签的工作原理

图3给出了本文提出的无芯片RFID标签的工作原理。当阅读器发射天线(Tx)发送询问电磁波信号到达无芯片RFID标签的表面时，一个标签结构所决定的特有的频率签名即被激发，改变入射电磁波的频谱结构。接收天线(Rx)会接收到隐含编码信息的后向散射信号，阅读器记录并提取这个独有的频谱签名，恢复出编码信息。为了减小发送信号和接收信号的相互耦合，发射天线和接收天线呈90°放置。

图3 无芯片RFID标签的工作原理

2 无芯片RFID标签设计

本文设计的无芯片RFID标签结构如图4所示，标签的结构参数如表1所示，图中黑色线条为设计的等边三角形缝隙。最长的缝隙边长L1=23.308 mm，对应编码的最高有效位(the most significant bit,MSB)；最短的缝隙边长L12=8.084 mm，对应编码的最低有效位(least significant bit,LSB)。为使标签制作简单，缝隙间距Wslot=0.2 mm，缝隙宽度Ws=0.2 mm。基板材料采用Taconic TLX-0(相对介电常数εr=2.45、损耗角正切tanδ=0.001 9)，标签的整体尺寸为24 mm×22 mm×0.8 mm，可实现12 bit的编码容量,其他谐振单元边长Lx+1=23.308-1.384x。

图4 无芯片标签设计

参数数值参数数值基板长度L24基板厚度h0.800基板宽度W22边缘空隙s0.613

当标签受到平面电磁波激励，每一个缝隙谐振器在频谱上均会产生一个波峰和波谷，其中波谷用于编码1位数据。当波谷存在时，表示逻辑状态“1”，反之，表示逻辑状态“0”。通过增加开槽数量，缩小缝隙间距，可以提升编码容量，而并不增大标签表面。通过简单地加入或移除谐振器，控制频率选择特性，得到各种编码的标签。

3 仿真结果与分析

3.1 无芯片标签仿真与编码分析

在该无芯片标签中，按照谐振体长度从大到小的顺序分别设置序号为1～12，则对应的谐振频率从小到大。通过仿真得到不同边长谐振体对应的谐振频率如表2所示。

表2 不同边长谐振单元参数

为了验证本设计的可行性，设计了4种不同编码的标签ID为:111111111111，110110111011，101010101010，010101010101，如图5所示。通过电磁仿真软件FEKO进行仿真设计，建模时将谐振单元设置为理想电导体，激励波以均匀平面波入射到标签表面。

图5 具有不同ID标签的结构示意

上述设计的无芯片标签的仿真结果如图6所示，通过移除一些缝隙，可以构成12 bit的各种编码。图5(a)中12个等边三角形缝隙谐振器均存在，这个标签有12个全为“1”的编码。其仿真结果图6(a)显示了标签有12个谐振谷，即频谱签名全为“1”，代表ID：111111111111。图5(b)中序号分别为3，6，10的等边三角形缝隙谐振器被移除，则仿真结果图6(a)显示了标签的第3，6，10个波谷亦消失，即这3个位置的频谱签名为“0”，其他的所有波谷均没有因为这3个谐振器的移除而发生明显改变，代表ID：110110111011。其他ID以此类推。另外，由于缝隙谐振器之间的相互耦合，在移除谐振器之后，相邻谐振频率有一个很小的偏移，可以通过去谐校正技术克服[13]。

图6 标签的RCS幅频特性仿真

3.2 入射波极化角度的影响

图7为不同极化角度的RCS幅频特性曲线。可以看出：极化角度分别等于0°，30°，60°，90°时，谐振频率点并未发生明显改变。可以证明这种结构的标签极化独立，对极化角度不敏感。另外，谐振谷深度在一些谐振点发生了变化，但未对标签的检测识别产生干扰，仅影响其阅读范围。

图7 不同极化角度的RCS幅频特性仿真

3.3 多谐振结构加载标签设计

设计的无芯片RFID标签能以非常紧凑的方式多个并排放置，增大标签的雷达散射截面积，可得到更长的阅读距离。放置4个相同的标签，形成对称结构，如图8所示。

图8 多谐振结构加载的标签

图9比较了该多谐振结构加载的无芯片标签和单个无芯片标签的RCS幅频特性曲线。可以看出，与单个标签相比，该结构能检测到的信号强度增加了3～9 dB。信号强度在高频时增加更多，同时二次谐波的影响也更低。

图9 2种标签的RCS幅频特性仿真

4 结 论

本文提出了一种新颖的无芯片RFID标签的设计。标签由多个三角形缝隙谐振器组成，结构紧凑，成本较低，制作简单。由于采用了三角形结构，标签的后向散射信号对入射波的极化角度不敏感，使标签的实用性更强。此外，还探索了增大阅读距离的方法。标签不存在接地板，这种单面的紧凑的结构能像条形码一样，用导电油墨直接印刷到ID卡、信用卡甚至纸张上面。

参考文献:

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